一种致密碳酸盐岩声波速度估计方法及系统
阅读说明：本技术 一种致密碳酸盐岩声波速度估计方法及系统 (Method and system for estimating sound wave velocity of compact carbonate rock ) 是由 李博南 沈珲 李呈呈 马中高 杨丽 司文朋 王欢 于 2018-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种致密碳酸盐岩声波速度估计方法及系统,属于岩石物理领域。该致密碳酸盐岩声波速度估计方法利用致密碳酸盐岩的岩石物理实验数据或者邻井实测数据预测目标井的声波速度；所述岩石物理实验数据包括：利用岩石物理实验获得的纵波速度、横波速度、密度和孔隙度；所述邻井实测数据包括：通过邻井实测获得的纵波速度、横波速度、密度和孔隙度测井曲线。本发明方法充分利用了致密碳酸盐岩本身的一些岩石物理特征,保证了结果准确的前提下,在速度估算过程中做最大程度的参数简化。本发明计算效率高,精度好。(The invention provides a method and a system for estimating sound wave velocity of compact carbonate rock, and belongs to the field of rock physics. The method for estimating the acoustic velocity of the compact carbonate rock predicts the acoustic velocity of a target well by utilizing rock physical experiment data or adjacent well measured data of the compact carbonate rock; the petrophysical experimental data comprises: longitudinal wave velocity, transverse wave velocity, density and porosity obtained by rock physics experiments; the measured data of the adjacent well comprises: and (4) obtaining longitudinal wave velocity, transverse wave velocity, density and porosity logging curves through adjacent well actual measurement. The method fully utilizes some rock physical characteristics of the compact carbonate rock, and performs parameter simplification to the maximum extent in the speed estimation process on the premise of ensuring accurate results. The invention has high calculation efficiency and good precision.)
技术领域
本发明属于岩石物理领域，具体涉及一种致密碳酸盐岩声波速度估计方法及系统。
背景技术
声波速度是地震勘探中最重要的弹性参数，对于碳酸盐岩来说目前工业上最广泛使用的预测方法有两大类：经验公式法和等效介质模型法。经验公式法的优势在于计算效率高(如Castagna公式和Krief公式)，但其在原理上往往把岩石速度的差异简单归因于孔隙度的变化。这一假设在砂岩储层段适用性更强。而对于碳酸盐岩，孔隙结构对速度同样影响很大，这类方法的应用效果难免受到局限。等效介质模型方法对整个岩石微观结构描述十分详细(如DEM模型，KT模型和SCA模型)，在声波速度预测时考虑的是各种内部矿物组分、流体流动和孔隙散射等因素的综合影响。但是，在实际生产中这些微观参数是难以获得的。此外，这些模型往往内部隐含着许多迭代过程，计算效率较低，数据量大情况下无法大规模使用。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种致密碳酸盐岩声波速度估计方法，能根据区域岩石物理实验数据或邻井实测数据计算目标井位声波速度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种致密碳酸盐岩声波速度估计方法，所述方法利用致密碳酸盐岩的岩石物理实验数据或者邻井实测数据预测目标井的声波速度；所述岩石物理实验数据包括：利用岩石物理实验获得的纵波速度、横波速度、密度和孔隙度；所述邻井实测数据包括：通过邻井实测获得的纵波速度、横波速度、密度和孔隙度测井曲线。
所述方法包括：
(1)对致密碳酸盐岩进行岩石物理实验获得纵波速度、横波速度、密度和孔隙度，或者通过邻井实测获得纵波速度、横波速度、密度和孔隙度测井曲线；
(2)利用步骤(1)测得的数据计算得到体积模量和临界孔隙度值；
(3)以体积模量开根号的值作为横坐标，以纵波速度作为纵坐标，对两者进行拟合，得到拟合常数b和c；以横波速度为横坐标，以纵波速度为纵坐标，对两者进行拟合，得到拟合常数a和b,其中a、c为斜率，b为截距；
(4)利用所述临界孔隙度值、目标井的孔隙度、目标井的矿物组分计算得到目标井的体积模量；
(5)利用目标井的体积模量预测目标井的纵波速度和横波速度。
所述步骤(2)中的利用步骤(1)测得的数据计算体积模量的操作包括：利用下式计算体积模量：
其中，Vp、VS、ρ分别为步骤(1)测得的纵波速度、横波速度、密度，K为体积模量，μ为剪切模量。
所述步骤(2)中的利用步骤(1)测得的数据计算临界孔隙度值的操作包括：利用下式计算临界孔隙度值：
其中，
Kp是流体引起的附加模量，在干燥状态下，Kp为0；
所述步骤(4)的操作包括：利用下式计算目标井的体积模量Ksat：
Ksat＝Kdry+KP
Kfl是流相悬浮或混合物的体积模量：
Ki和vi分别代表第i种流体的体积模量和含量，其数值均从标准测井解释中的流体饱和度曲线中获得；
所述步骤(5)的操纵包括：
利用下式计算目标井的纵波速度：
利用下式计算目标井的横波速度：
VPsat≈aVSsat+b。
本发明还提供一种致密碳酸盐岩声波速度估计系统，该系统包括：
数据采集单元：对致密碳酸盐岩进行岩石物理实验获得纵波速度、横波速度、密度和孔隙度，或者通过邻井实测获得纵波速度、横波速度、密度和孔隙度测井曲线；
体积模量计算单元：与数据采集单元连接，利用数据采集单元发送来的纵波速度、横波速度、密度计算得到体积模量；
临界孔隙度计算单元：与数据采集单元连接，利用数据采集单元发送来的纵波速度、横波速度、密度和孔隙度计算得到临界孔隙度；
拟合单元：与体积模量计算单元、数据采集单元分别连接，对体积模量计算单元发送来的体积模量开根号，将开根号后的值作为横坐标，以数据采集单元发送来的纵波速度作为纵坐标，对两者进行拟合，得到拟合常数b和c；以数据采集单元发送来的横波速度为横坐标，以数据采集单元发送来的纵波速度为纵坐标，对两者进行拟合，得到拟合常数a和b,其中a、c为斜率，b为截距；
目标井体积模量计算单元：与临界孔隙度计算单元连接，利用目标井的孔隙度、目标井的矿物组分和临界孔隙度计算单元发送来的临界孔隙度值计算得到目标井的体积模量；
声波速度预测单元：分别与目标井体积模量计算单元、拟合单元连接，利用目标井体积模量计算单元发送来的目标井的体积模量以及拟合单元发送来的a、b、c的值预测目标井的纵波速度和横波速度。
所述体积模量计算单元利用下式计算体积模量：
其中，Vp、VS、ρ分别为数据采集单元发送来的纵波速度、横波速度、密度，K为体积模量，μ为剪切模量；
所述临界孔隙度计算单元利用下式计算临界孔隙度值：
其中，
Kp是流体引起的附加模量，在干燥状态下，KP为0；
所述目标井体积模量计算单元利用下式计算目标井的体积模量Ksat：
Ksat＝Kdry+KP
Kfl是流相悬浮或混合物的体积模量：
Ki和vi分别代表第i种流体的体积模量和含量，其数值均从标准测井解释中的流体饱和度曲线中获得；为目标井的孔隙度；
所述声波速度预测单元利用下式计算目标井的纵波速度：
利用下式计算目标井的横波速度：
VPsat≈aVSsat+b。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明的致密碳酸盐岩声波速度估计方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法充分利用了致密碳酸盐岩本身的一些岩石物理特征，保证结果准确的前提下，在速度估算过程中做最大程度的参数简化。通过理论曲线对比和实施例对比证明本发明所提出的定量关系在实际中普遍存在，且计算效率高，精度好。
附图说明
图1理论上对本发明计算效果的验证；
图2岩心尺度的岩石物理实验数据对本发明的验证；
图3测井尺度的声波速度曲线对本发明的验证；
图4本发明方法的步骤框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
根据致密碳酸盐岩本身的岩石物理特征，本发明提出一种能根据岩石物理实验数据或邻井实测数据计算目标井位声波速度的方法，该方法可以在保证结果准确的前提下，尽可能对输入参数做最大程度的简化，免去了大量微观参数或矿物组分的分析过程，大大节约了成本，提升了效率。根据理论对比，岩心实测数据对比和测井实测数据对比结果，可以发现本发明方法的计算精度高且简单易行。
本发明涉及Voigt-Reuss-Hill平均、Wood平均、临界孔隙度模型(CPM)和Gassmann方程。该发明可以在仅有少量岩石物理实验数据或邻井数据的情况下，对致密碳酸盐岩的声波速度做出快速且准确的估计。本发明通过应用Voigt-Reuss-Hill平均与Wood平均分别计算矿物组分和流体复合物的有效弹性模量，再基于实验数据或邻井数据计算饱和岩石体积模量。最后，根据推导出来的近似关系计算岩石的声波速度。对于致密碳酸盐岩，本发明方法在理论上主要基于以下几个岩石物理关系式：
首先，假设碳酸盐岩中传播的纵横波速度满足数学关系：
VP≈aVS+b (1)
其中，a和b为经验常数。此外大量实验数据表明，对于致密储层来说，饱和岩石的纵横波速度比接近于矿物(Mavko,2006)，因此对于饱和岩石有：
其中，VP为纵波速度，VS为横波速度，下标sat和m分别代表饱和岩石和混合矿物的参数，σ为矿物基质的泊松比。
另外，岩石中纵波传播的真实速度还可以用体积模量和剪切模量表示，即：
其中，ρ为密度，K和μ分别为体积模量和剪切模量，联立以上三个方程，得到：
基于以上理论推导过程，本发明将通过对公式(4)做进一步的近似和变形给出了一种快速估计碳酸盐岩声波速度的方法，完整理论推导和具体操作步骤如图4所示，包括：
(1)计算矿物与流体模量：
固体矿物混合物的弹性模量通常根据Voigt-Reuss-Hill平均理论(1952)来计算：
式中，K和U分别为体积模量和剪切模量，下标m表示混合矿物参数，V和R分别代表了矿物的Voigt和Reuss界限。碳酸盐岩通常具有造岩矿物单一的特点，一般只含有方解石、白云石和黏土三种，具体体积含量可根据实验室分析或Gamma测井解释结果来估计。此时，固相矿物混合物的性质由下式计算：
ρm＝vcalρcal+vdolρdol+vclayρclay
KV＝vcalKcal+vdolKdol+VclayKclay
UV＝vcalUcal+vdolUdol+vclayUclay
v为体积含量，下标cal，dol和clay分别表示方解石、白云石和黏土矿物的参数。
对于流相悬浮或混合物，体积模量Kfl由Wood(1955)公式计算：
Ki和vi分别代表第i种流体的体积模量和含量。
(2)饱和岩石体积模量计算：
根据Murphy(1991)改写的Gassmann方程速度形式：
Ksat＝Kdry+KP. (8)
其中Ksat为饱和岩石体积模量，Kdry为干岩石模量，Kp是流体引起的附加模量，它是孔隙度、干岩石体积模量与流体体积模量的函数：
由于实验室条件可控，只要是干燥状态下测量，Kp可认为是0。
此外，根据Nur(1995)临界孔隙度模型，Kdry可以进一步表示成临界孔隙度
其中，为孔隙度，临界孔隙度
采用公式(10)计算时，需要矿物组分信息、饱和岩石的速度、密度和孔隙度，这些参数是直接从实验室或者测井中获取的，对于Vp、VS、ρ，公式(10)如下：
(3)岩石声波速度估算：
经过以上步骤，可以对公式(4)做进一步近似。由于白云岩和灰岩的密度相似，他们组成的致密储层的ρdry通常分布在2.65到2.75g/cm3之间的很窄区域内，对计算结果影响很小(Sain et al.,2008；Mavko et al.,2008)。
此外，常数a与b也可以通过测井数据或实验数据做简单拟合得到(线性拟合vp和vs即可，也就是公式(1)，下面的公式(12)直接用到的只有b，a通过公式(11)转化成了参数c的一部分)，因此公式(4)中约等号右边第一项的系数可认为是常数，即：
因此，对于致密碳酸盐岩来说，可以将纵波速度近似地表示成矿物基质泊松比σ、孔隙度φ和临界孔隙度φc三个参数的函数。本发明给出最终纵波速度近似计算公式为：
公式(12)可以简写为：
随后可以利用下式计算饱和岩石的横波速度：
VPsat≈aVSsat+b。
本发明还提供一种致密碳酸盐岩声波速度估计系统，该系统包括：
数据采集单元：对致密碳酸盐岩进行岩石物理实验获得纵波速度、横波速度、密度和孔隙度，或者通过邻井实测获得纵波速度、横波速度、密度和孔隙度测井曲线；
体积模量计算单元：与数据采集单元连接，利用数据采集单元发送来的纵波速度、横波速度、密度计算得到体积模量；
临界孔隙度计算单元：与数据采集单元连接，利用数据采集单元发送来的纵波速度、横波速度、密度和孔隙度计算得到临界孔隙度；
拟合单元：与体积模量计算单元、数据采集单元分别连接，对体积模量计算单元发送来的体积模量开根号，将开根号后的值作为横坐标，以数据采集单元发送来的纵波速度作为纵坐标，对两者进行拟合，得到拟合常数b和c；以数据采集单元发送来的横波速度为横坐标，以数据采集单元发送来的纵波速度为纵坐标，对两者进行拟合，得到拟合常数a和b,其中a、c为斜率，b为截距；
目标井体积模量计算单元：与临界孔隙度计算单元连接，利用目标井的孔隙度、目标井的矿物组分和临界孔隙度计算单元发送来的临界孔隙度值计算得到目标井的体积模量；
声波速度预测单元：分别与目标井体积模量计算单元、拟合单元连接，利用目标井体积模量计算单元发送来的目标井的体积模量以及拟合单元发送来的a、b、c的值预测目标井的纵波速度和横波速度。
所述体积模量计算单元利用下式计算体积模量：
其中，Vp、VS、ρ分别为步骤(1)测得的纵波速度、横波速度、密度，K为体积模量，μ为剪切模量；
所述临界孔隙度计算单元利用下式计算临界孔隙度值：
其中，
Kp是流体引起的附加模量，在干燥状态下，Kp为0；
所述目标井体积模量计算单元利用下式计算目标井的体积模量Ksat：
Ksat＝Kdry+KP
Kfl是流相悬浮或混合物的体积模量：
Ki和vi分别代表第i种流体的体积模量和含量，其数值均从标准测井解释中的流体饱和度曲线中获得；
所述声波速度预测单元利用下式计算目标井的纵波速度：
利用下式计算目标井的横波速度：
VPsat≈aVSsat+b。
本发明所提出的速度估计效果和精度，可以通过与完整理论模型的对比来证实，如图1所示，图1中的实线为确切的速度计算方法(公式3)；虚线为本发明提出的近似方法(公式12)。深色代表纯白云岩基质，浅色曲线为纯灰岩基质；可以看到计算结果非常接近，近似公式的理论误差不超过2％。
本发明的实施例如下：
图2展示了岩石物理实验数据点为干岩石模量与纵波速度测试结果交会图。虚线曲线为纯白云岩基质与硬孔隙的组合，可认为是速度上限；浅色实线曲线为纯灰岩基质与软孔隙的组合，可认为是速度下限；中间的深色实线曲线为最终对速度的估算结果，经过岩石物理实验确定的系数为：b＝1859.6,c＝0.0178(即公式(12)中的c(σ)，在实验中确定方法就如图2那样，拟合体积模量开根号(图2中显示的横坐标Ksat，图2中为了显示方便，自变量设置的是K而不是根号K,结果是一致的)和纵波速度，通过公式3可以将模量通过速度和密度直接算出来，速度直接测得)。可以看到计算结果与实验值高度符合，回归系数高达0.9610，证明了本发明的有效性。
根据图2中得到的参数b和c，带入公式(12)即可预测岩石速度。图3中前两列红色曲线展示的是本发明对测井声波速度的估算，黑色曲线为实测声波速度曲线，后两列是所用到的中间过程参数。可看到对于致密碳酸盐岩来说，本发明无需太多岩石的微观结构参数和矿物组分分析结果，就可对速度实现准确估计。
声波在岩石中的传播速度是地震勘探中最重要的弹性参数，它包含了大量与储层矿物、孔隙和流体相关的有用信息。然而，实际工作中时常有声波测井数据缺失的情况出现。针对于此，根据致密碳酸盐岩本身的岩石物理特征，本发明提出一种能根据岩石物理实验数据或邻井实测数据计算目标井位声波速度的近似关系。新的表达式可以在保证结果准确的前提下，尽可能对输入参数做最大程度的简化，免去了大量微观参数或矿物组分的分析过程，大大节约了成本，提升了效率。根据理论对比，岩心实测数据对比和测井实测数据对比结果，可以认为本发明的计算精度高且简单易行
我国中西部地区的地质条件有利于致密碳酸盐岩储层的形成和保存。以战略眼光看来，这类储层分布非常广泛，储量也比较丰富，是具有潜力的勘探目标。声波在岩石中的传播速度是地震勘探中最重要的弹性参数，它包含了大量与储层矿物、孔隙和流体相关的有用信息。然而，实际工作中时常有声波测井数据缺失的情况出现。本方法充分利用了致密碳酸盐岩本身的一些岩石物理特征，保证结果准确的前提下，在速度估算过程中做最大程度的参数简化。可以通过理论曲线对比和实施例对比证明本发明所提出的定量关系在实际中普遍存在，且计算效率高，精度好。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
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